Master's Thesis

Application of metal and semiconductor nanostructures for biodetection

Final Thesis 9.41 MB

Author of thesis: Ing. Lukáš Kejík, Ph.D.

Acad. year: 2014/2015

Supervisor: prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D.

Reviewer: Doc. RNDr. Petr Skládal, CSc.

Abstract:

The master’s thesis deals with two applications of gold discoidal nanostructures exhibiting plasmon resonance for biodetection. The first approach considers the detection of changes in the phase on plasmonic antennas using coherence-controlled holography microscope. It was found that the steepness of the phase is increasing with the illumination wavelength when plasmon resonance is excited in larger antennas. The sensitivity of the phase to refractive-index changes of the surrounding media was observed when the largest response was given by antennas in resonance with wavelength of illumination. Next part deals with plasmon resonance detection by means of optical spectroscopy combined with voltametry which characterizes the electrochemical activity. Changes in resonance wavelength induced by the presence of SSC buffer were observed, although this influence seems to diminish in time. Conducted experiments have also shown that oxygen-plasma cleaning is not suitable for sample surface cleaning because of oxidation of metals including gold as well.

Keywords:

plasmonics, electrochemistry, biosensor, plasma cleaning, SSC buffer

Date of defence

22.06.2015

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Physical Engineering

Study programme

Applied Sciences in Engineering (N3901-2)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (M-FIN)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D.

Lukáš Kejík si zvolil téma na rozhraní fyziky a biofyziky a jeho práce byla rozdělena do dvou hlavních směrů. Měřil a vyhodnocoval experimenty se změnou fáze na plazmonických strukturách a souběžně připravoval stávající aparaturu pro měření odrazu a průchodu světla na souběžné měření cyklické voltametrie. Velmi dobře zpracoval rešeršní studii. Pracoval svědomitě, podařilo se mu získat velké množství experimentálních dat a díky enormnímu úsilí je všechny zpracovat. Diplomová práce tak ukazuje pouze ty nejvýznamnější. Výborně hodnotím jeho práci s literaturou, prokázal schopnost plánovat experimenty, interpretovat je a také z nich vyvozovat korektní závěry. Výsledná podoba práce a zejména její experimentální část je výsledkem několika společných konzultací, a přes poměrně velký objem prezentovaných dat velmi dobře a systematicky ukazuje výsledky studentovy práce.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Doc. RNDr. Petr Skládal, CSc.

Velmi kvalitně zpracovaná a rozsáhlá práce, provedená měření s SPR nanoanténami v přítomnosti kapalin jsou nezbytným předpokladem k aplikaci v biosensorech.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Předložená diplomová práce pojednává o využití fázových změn nastávajících na plasmonových anténních nanostrukturách ze zlata pro sledování změn indexu lomu a potenciálně také pro interakce biomolekul. Velmi inovativní je také plánované spojení plasmonového systému s elektrochemickým měřením, zde byla kvalitně zpracována literární rešerše a navržena měřící cela, experimentální testy tohoto úseku ale zatím nebyly uvedeny. Hlavním přínosem práce je myslím ověření, že plasmonové anténní převodníky dlouhodobě studované na VUT jsou použitelné pro měření v přítomnosti vodných roztoků, což je nezbytné pro využití ve spojení s biomolekulami jako budoucí biosensory.
  2. Úvodní část stručně zmiňuje plasmonové nanostruktury, podrobněji je probrána perspektivní kombinace hlavního tématu s elektrochemickým měřením, uvádí se sledování fázových změn pomocí holografického mikroskopu. Následuje popis provedených experimentů, který se přímo prolíná s výsledky a komentáři k nim, včetně diskuse. Byly charakterizovány různé typy čipů lišící se velikostí a hustotou nanoantén.
  3. Co se týká spektroskopických měření, není mi jasný průmět optického vlákna na plochu čipu (obr. 3.3), dle obr. 3.1 je mezi vzorkem a opt. vláknem vřazen objektiv mikroskopu. Např. obr. 3.6, šlo by nějak kvantifikovat kvalitu ("ostrost") rezonance u srovnávaných různě velkých nanostruktur? Bylo by možné porovnat rezonanci dosahovanou u nanoantén s rezonancí u klasického SPR uspořádání? Obr. 3.8 - posun při měření ve světlém resp. temném poli, jaké lze očekávat změny při vzniku adsorbovaných vrstev u DF varianty (tj. funkce biosensoru)?
  4. Trochu překvapivě byly testy prováděny v citrátovém pufru s NaCl, citrátový pufr se přitom u biosensorů pro měření prakticky nepoužívá; i koncentrace 1 M je příliš vysoká a její testování tedy málo přínosné. Plazmové čištění povrchu při měření považuji za příliš drastické, o jeho problematičnosti se nakonec autor sám přesvědčil. Nenašel jsem zmínku o kontrole teploty při měření, to je přitom u SPR celkem klíčový faktor; např. systém Biacore udržuje teplotu na 0.01 oC. Byla nějak kontrolována či alespoň měřena teplota? Toto by mohlo do značné míry vysvětlit pozorované značné fluktuace měření.
  5. Pokud jsem to také správně pochopil, měření v aktivní oblasti a v referenční oblasti neprobíhala současně; i to by mohlo navyšovat fluktuace. Pokud se snímá obraz citlivé oblasti sensoru, mělo by být možné pomocí vhodné SW šablony definovat aktivní a referenční zóny a provádět korekci v reálném čase (např. SPR systémy z UFE ČAV). Také opakované ruční měření spekter by bylo dobré doplnit možností automatického generování např. pozice rezonance SPR křivky jako jednoznačného v čase sledovatelného signálu; pro biosensory přiměřené vzorkování je kolem 1 s. Co se týká návrhu elchem. cely, tak pro referentní elektrodu by byl vhodnější Ag drátek, případně pochloridovaný.

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová